Niedertourig oder hochtourig? Die Charakteristik des Motors lesen

Auf die Frage, ob niedrige oder hohe Drehzahl besser ist, gibt es keine einzige universelle Antwort; welches davon "besser" ist, hängt davon ab, in welchem Drehzahlbereich die Drehmomentkurve des Motors ihren Höhepunkt erreicht und welchem Verwendungszweck das Fahrzeug dient. Kurz gesagt: Ein Motor, der bei niedriger Drehzahl Drehmoment erzeugt, ist im Alltag angenehm und sparsam, während ein Motor, der bei hoher Drehzahl Leistung erzeugt, auf Performance ausgerichtet ist. In diesem Artikel gehen wir Schritt für Schritt auf die Beziehung zwischen dem Drehzahlband und Leistung sowie Drehmoment, die mechanischen Faktoren, die den Motorcharakter bestimmen, und darauf ein, wie man diese Werte in technischen Daten liest.

Was ist das Leistungsfest und warum bestimmt es den Motorcharakter?

Das Leistungsfest ist der Drehzahlbereich (U/min), in dem ein Verbrennungsmotor seine maximale Leistung erzeugen kann. Dieser Bereich macht im Allgemeinen weniger als die Hälfte des gesamten Drehzahlbereichs des Motors aus und definiert die Zone, in der die maximale Beschleunigung erreicht wird. Was wir den "Charakter" eines Motors nennen, hängt in hohem Maße davon ab, wo dieses Band beginnt und endet: Ein Motor, dessen Band im niedrigen Drehzahlbereich liegt, wirkt bei niedriger Drehzahl kraftvoll, während ein Motor, dessen Band nach oben verschoben ist, mit steigender Drehzahl aufblüht.

Bei einem Benziner-Straßenwagen beginnt das Leistungsfest typischerweise im mittleren Drehzahlbereich, bei etwa 4.000 U/min - wo zugleich das maximale Drehmoment erzeugt wird - und endet unterhalb des roten Bereichs, nachdem der Motor seine maximale Leistung erreicht hat. Auf der Diesel-Seite sieht das Bild ganz anders aus: Diesel-Pkw- und Nutzfahrzeugmotoren entwickeln ihr maximales Drehmoment meist unter 2.000 U/min , ihre Leistungsspitze erreichen sie bei etwa 4.000 U/min oder darunter. Das heißt, dasselbe Konzept des "Leistungsfests" entspricht bei zwei verschiedenen Kraftstoffarten zwei sehr weit auseinanderliegenden Drehzahlbereichen.

Hier muss auf eine kleine, aber wichtige technische Unterscheidung hingewiesen werden: Drehmoment und Drehzahl sind Größen, die an der Motorwelle gemessen werden; die Leistung hingegen ist ein berechneter Wert. In metrischen Einheiten wird sie kW = Nm × U/min / 9549 mit dieser Formel ermittelt. Diese Formel ist der Kern der Mathematik hinter der Charakterdiskussion: Ein Motor, der dasselbe Drehmoment bei höherer Drehzahl halten kann, erzeugt mehr Leistung.

Was bedeutet die Drehmomentkurve im täglichen Fahren?

Bei einem typischen Fahrzeugmotor ist das Drehmoment bei Leerlaufdrehzahl niedrig, erreicht im Bereich von 1.500-6.500 U/min

Im Alltag ist das Drehmoment konkret spürbar: der Überschuss an Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen erleichtert es, das Fahrzeug ohne hohe Drehzahlen in Bewegung zu setzen. Anfahrbeschleunigung, Zugkraft am Berg und das Transportieren von Lasten sind das Gebiet des Drehmoments; Höchstgeschwindigkeit und dauerhafte Leistung sind das Gebiet der Leistung. Daher fällt bei der Nutzung im Stadtverkehr ein breites und tief liegendes Drehmomentplateau meistens mehr auf als ein hoher Leistungsgipfel.

Die Form der Kurve ist mindestens so wichtig wie der Spitzenwert. Eine flache und breite Drehmomentkurve bedeutet konstante Kraft über einen großen Drehzahlbereich, während eine Kurve mit scharfem Gipfel die Kraft des Motors in einen engen Bereich einsperrt. Auf der Rennstrecke ist der Vorteil einer flachen Drehmomentkurve offensichtlich: Beim Kurvenausgang erhält man ähnliche Zugkraft, unabhängig davon, in welchem Drehzahlbereich man sich befindet. Motoren mit engem Drehzahlband benötigen dagegen mehr und eng gestaffelte Gänge, um diese Verengung auszugleichen - genau das ist die funktionale Zusammenfassung des CVT-Getriebes: den Motor von der Gefangenschaft im engen Band zu befreien und in der optimalen Drehzahl zu halten.

Langer oder kurzer Hub: Wie verändert der Hub den Motorcharakter?

Bei gleichem Hubraum ist das Verhältnis zwischen Zylinderbohrung (Bore) und Kolbenhub (Stroke) die mechanische Variable, die am stärksten beeinflusst, wo sich das Drehzahlband ansiedelt. Bei einem Motor mit langem Hub ist die Zylinderbohrung kleiner und der Kolben legt für dasselbe Volumen einen längeren Weg zurück; das bedeutet höhere Trägheitsbelastungen an den beweglichen Teilen. Die Entsprechung ist natürlicherweise ein üppiges Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen.

Ein Motor mit kurzem Hub geht den umgekehrten Kompromiss ein: Da der Kolben pro Umdrehung einen kürzeren Weg zurücklegt, sinkt die Kolbengeschwindigkeit und der Motor erlaubt höhere Drehzahlgrenzen. Das ist der Grund, warum im Rennsport große Bohrung und kurzer Hub bevorzugt werden - die Drehzahlgrenze lässt sich leicht anheben. Der kurze Hub hat aber auch seinen Preis: Ein breiter und flacher Brennraum erschwert eine gute Gemischbildung. Daher ist langer Hub für Drehmoment, kurzer Hub für Leistung als Zusammenfassung aus ingenieurstechnischer Sicht ein solider Ausgangspunkt.

Die anschaulichsten Beispiele für dieses Prinzip sind Hochdrehzahlmotoren: 14.000 RPM Motorräder und Formel-1-Motoren, die über diese Drehzahlen hinausgehen, erreichen sie dank leichter Kolben und Pleuel sowie kurzem Hub. Mit wachsendem Hubraum und insbesondere längerem Hub verschiebt sich das Leistungsband zu niedrigeren Drehzahlen. Die Rolle der Zylinderzahl in diesem Bild ist eine andere: Die Zylinderzahl beeinflusst nicht die Drehmomentmenge, sondern die Geschmeidigkeit der Kraftübertragung.

Warum erzeugen Dieselmotoren Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen?

Hinter dem Dieselcharakter stehen drei Hauptfaktoren: die Hublänge, der Turboladerdruck und der mittlere effektive Druck. Dieselmotoren haben in der Regel einen längeren Kolbenhub; der lange Hub bietet der Kurbelwelle mehr Hebelwirkung und wandelt sich bei niedrigen Drehzahlen in höheres Drehmoment um. Hohe Verdichtungsverhältnisse und der große Verbrennungsdruck, der auf den Zylinder wirkt, speisen diese Drehmomentabgabe ebenfalls.

Der rote Bereich unterscheidet sich hingegen hauptsächlich durch die Grenzen der Kraftstoffzerstäubung. Die Einspritzung und Vermischung von Dieselkraftstoff im Zylinder ist ein langsamerer Prozess als die Verbrennung eines wie bei Benzin vorbereiteten Gemisches; daher endet die Drehzahl bei Diesel-Pkw typischerweise bei 4.500 U/min während Benziner 6.500-8.000 U/min erreichen können. Das Profil eines typischen Straßen-Diesels fasst sich so zusammen: Höchstes Drehmoment bei 1.500-2.000 U/min höchste Leistung bei 3.500-4.500 U/min und oberhalb dieser Drehzahlen ein rascher Leistungsabfall.

Wie liest man Leistungs- und Drehmomentwerte in technischen Daten?

Die Zeilen "maximales Drehmoment: X Nm bei Y U/min" und "maximale Leistung: Z PS bei W U/min" in einer Broschüre sind eine kurze Zusammenfassung des Motorcharakters. Achten Sie auf den Drehzahlunterschied zwischen den beiden Werten: Der Abstand zwischen Drehmoment- und Leistungsmaximum gibt Aufschluss über die Breite des Nutzdrehzahlbands des Motors. Bekanntlich liegt das Drehmomentmaximum meist 1.000-2.000 U/min unter dem Leistungsmaximum; liegen die beiden Maxima nah beieinander, ist das Band eng, ist der Drehzahlbereich dazwischen groß, verfügt der Motor über einen großen flexiblen Einsatzbereich.

Auch das Getriebe liest die Kurve

Die Drehmomentkurve allein zu betrachten ist unzureichend, denn das Getriebe spielt in dieser Gleichung die Rolle eines Multiplikators. Niedrige Gänge (etwa 3,5:1) vervielfachen das Drehmoment beim Anfahren mechanisch; Overdrive-Gänge (etwa 0,8-0,9:1) ermöglichen auf der Autobahn eine Fahrt mit niedriger Drehzahl. Auch die historische Entwicklung bestätigt dies: Die Zwei-Gang-Automatikgetriebe der 1950er Jahre verlangten von den Motoren ein breites Leistungsband; die heutigen 8-9-Gang-Getriebe erlauben dagegen, den Motor auf einem engen und effizienten Bereich zu abstimm­en. Deshalb führen die bei heutigen Motoren scheinbar schmaleren Bänder in Kombination mit den Mehrgang-Getrieben nicht zu einem Verlust an Flexibilität im Alltag.

Die Bedeutung der roten Bereichs-Markierung

Der rote Bereich ist die maximale Drehzahl, mit der der Motor ohne Schädigung der Komponenten laufen kann; er hängt von Faktoren wie Hublänge, Bauteilmassen und Auswuchtabgleich ab. Wenn man bedenkt, dass der Rekord bei Hubkolben-Straßenautos bei 12.100 U/min liegt, wird klar, wie vorsichtig das 6.000-7.000 U/min-Band eines gewöhnlichen Straßenfahrzeugs ausgelegt ist. Ein niedriger roter Bereich bedeutet nicht allein schlechte Leistung; die aufgrund von Ventilflattern bei alten OHV-Konstruktionen bis auf 4.800 U/min zurückgegangenen Grenzen haben bei drehmomentstarken großvolumigen Motoren keinerlei Mangel verursacht. Das Überschreiten des roten Bereichs bedeutet nicht sofort einen Defekt, erhöht aber das Risiko von Schäden - dass Hersteller den roten Bereich meist knapp oberhalb des Punktes ansetzen, an dem die Leistung abfällt, ist auch kein Zufall.

Wie wirkt sich Turbo- und Saugaufladung auf das Drehzahlband aus?

Zwangsführung ermöglicht mehr Leistung aus demselben Hubraum; das eigentlich Interessante ist jedoch ihre Wirkung auf die Drehmomentkurve. Bei Turbo- und Kompressormotoren begrenzt das Ladedruckregelungssystem das Drehmoment meist auf einen nahezu konstanten Wert über den gesamten Drehzahlbereich - sowohl zur Verringerung der Motorbelastung als auch für ein konsistentes Verhalten. Das Ergebnis ist ein flaches Drehmomentplateau, wie es bei Saugmotoren selten zu finden ist; und das ohne Abstriche bei der Spitzenleistung.

Auf der Seite der Saugmotoren (NA) gibt es einen anderen Kompromiss: einfachere Konstruktion, weniger Verschleißteile, in der Regel längere Lebensdauer, sofortige Gasannahme und ein lineares Leistung band. NA-Motoren neigen dazu, bei höchsten Drehzahlen mehr Leistung zu erzeugen, aber ihre Drehmomentkurven sind nicht so flach, und bei kleinen Hubräumen wird das Volumen oft vergrößert, um das Fehlen der Zwangsführung zu kompensieren. Der Preis der Zwangsgeführt-seite sind dagegen die Komplexität und der bei den meisten Turbomotoren auftretende, verengte Leistungsbereich durch das Turboloch. Hinzu kommt der Höhenlagen-Aspekt: Kompressor- und Turbomotoren zeigen in Höhenlagen mit niedriger Luftdichte bessere Leistungen als Saugmotoren, während NA-Motoren empfindlicher auf die Höhe reagieren. Die Diskussion Turbo oder Sauger geht weiter, weil beide Seiten berechtigte Punkte haben - die richtige Frage lautet nicht "welches ist besser", sondern "welcher Kompromiss passt zu Ihrer Nutzung".

Nach welchem Gleichgewicht sollten Sie suchen, wenn Sie den Motorcharakter wählen?

Auf die Frage "Was ist wichtiger: PS oder Drehmoment?" mit einer einzigen Antwort zu antworten, bedeutet, die Frage selbst falsch zu verstehen. Anfahr- und Zugkraft sind das Gebiet des Drehmoments, Höchstgeschwindigkeit und nachhaltige Leistung sind das Gebiet der Leistung; im Hinblick auf den Alltag und den Kraftstoffverbrauch lautet die Empfehlung: das Gleichgewicht beider. Als Faustregel gilt: Je niedriger die Drehzahl des maximalen Drehmoments, desto angenehmer nutzen Sie das Fahrzeug in der Stadt; je höher die Drehzahl der Maximalleistung, desto leistungsorientierter ist der Motor abgestimmt.

Wenn Sie in die technische Preistabelle schauen, können Sie nun vier Dinge gemeinsam lesen: die Drehzahl des maximalen Drehmoments, die Drehzahl der Spitzenleistung, den roten Bereich und wie nah diese drei beieinander liegen. Nahe beieinanderliegende Spitzen und ein hoher roter Bereich erzählen von einem aufregenden, aber gangempfindlichen Motor; ein früh ankommendes Drehmomentmaximum und ein breites Plateau von einem komfortablen und elastischen Charakter. Der Motorcharakter ist kein Zufall - er ist das Ergebnis bewusster ingenieurstechnischer Entscheidungen über Hub, Hubraum, Aufladung und Getriebe; wenn Sie gelernt haben, ihn zu lesen, beginnt Ihnen jedes technische Datenblatt zu erzählen, wie sich der Motor fahren wird.

Quellen

• Power band
• Power vs Torque in Engine Performance Explained
• Horsepower vs. Torque: Which Is More Important?
• Long Stroke Vs Short Stroke Engines: Differences Explained
• Long- Vs Short-Stroke Engines: What Are The Differences?
• Why Diesels Make So Much Torque
• Understanding Torque And Horsepower – with Tractive Force
• Maximum Acceleration: Peak Power Vs Peak Torque
• Engine Power Delivery - What is Torque Vs. Horsepower
• Turbos, Superchargers and Naturally Aspirated Engines